Die Auslegung des Umspannwerk-Relaisschutz-Fehlerinformations-Erkennungssystems
I. Einführung
In den letzten Jahren hat sich das Netzwerk der Stromversorgung kontinuierlich ausgeweitet. Umspannwerke, als wichtige Knotenpunkte im Stromsystem, spielen eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit des gesamten Stromnetzes durch ihre sichere und stabile Betriebsführung. Der Schutzschaltkreis dient als erste Verteidigungslinie für den sicheren Betrieb von Umspannwerken. Die Genauigkeit und Schnelligkeit des Schutzschaltkreises stehen in direktem Zusammenhang mit der Stabilität des Stromsystems. Daher ist es von großer Bedeutung, die Fehlinformationen des Schutzschaltkreissystems des Umspannwerks effektiv zu erfassen, potenzielle Fehler zeitnah zu erkennen und zu beheben, um den sicheren Betrieb des Stromsystems zu gewährleisten.
Traditionelle Methoden zur Erkennung von Fehlern im Schutzschaltkreis basieren hauptsächlich auf manuellen Inspektionen und regelmäßiger Wartung. Diese Methoden sind nicht nur zeitaufwendig und arbeitsintensiv, sondern ermöglichen auch keine Echtzeitüberwachung. Als Folge davon können sie frühe Anzeichen von Fehlern leicht übersehen. Mit der stetigen Entwicklung der Informationstechnologie, insbesondere der Fortschritte in der Computertechnik und Kommunikationstechnik, haben moderne Systeme zur Fehlersuche im Schutzschaltkreis von Umspannwerken begonnen, automatisierte Methoden einzusetzen. Durch die Echtzeitdatenerfassung können diese Systeme eine Echtzeitüberwachung des Zustands des Schutzschaltkreises durchführen und Fehler schnell lokalisieren.
Daher schlägt dieser Artikel ein System zur Fehlersuche im Schutzschaltkreis von Umspannwerken vor, das auf moderner Informationstechnologie basiert, und erläutert detailliert seine Hardwarestruktur, Softwareentwicklung und experimentellen Ergebnisse.
II. Design der Systemhardwarestruktur
(1) Host-Computer
Das Design des Host-Computers beeinflusst direkt die Leistung des gesamten Systems. Seine Hardwarestruktur verwendet den C8051F040-Ein-Chip-Mikrocomputer als Kernprozessor. Der C8051F040-Ein-Chip-Mikrocomputer ist ein hochleistungs- und energieeffizienter Mischsignal-Mikrocontroller, der reiche Peripherieressourcen integriert, einschließlich analoger und digitaler I/O-Ports, Timer/Countern, UART, SPI und I2C-Kommunikationsschnittstellen u.a. Diese Eigenschaften machen den C8051F040 besonders geeignet als Kernprozessor des Host-Computers, der die Anforderungen an die Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung und komplexe Steuerlogik erfüllen kann.
Um die Echtzeitüberwachungsfähigkeit des Systems sicherzustellen, wird in der Konstruktion des Host-Computers eine hochleistungsfähige Überwachungseinheit eingesetzt. Diese Einheit umfasst in der Regel einen hochwertigen ADC (Analog-Digital-Wandler), DAC (Digital-Analog-Wandler) sowie Spannungs- und Stromüberwachungsschaltungen. Sie kann elektrische Parameter in Echtzeit erfassen und konvertieren und bietet genaue Datenunterstützung für die Fehlerdiagnose.
Zugleich muss der Host-Computer mit dem untergeordneten Computer und dem Fernüberwachungszentrum kommunizieren. Das Design integriert verschiedene Kommunikationsschnittstellen, wie RS-232, RS-485 und Ethernet. Diese Schnittstellen stellen eine schnelle Datentransmission und die Möglichkeit der Fernsteuerung sicher.
Um den Bedienern die Überwachung und Steuerung des Systems zu erleichtern, ist der Host-Computer auch mit einer Mensch-Maschine-Schnittstelle ausgestattet, die in der Regel aus einem LCD-Bildschirm und einer Tastatur besteht. Die Bediener können diese Schnittstellen verwenden, um den Systemstatus in Echtzeit einsehen zu können.
(2) Isolationsdetektorsensor
Um den Modernisierungsanforderungen der Gleichstromsysteme in alten Kraftwerken und Umspannwerken gerecht zu werden, haben die Mitarbeiter einen hochpräzisen abnehmbaren Isolationsdetektorsensor entwickelt. Durch die Verwendung fortschrittlicher Elektroniktechnologien und Materialien verfügt dieser Sensor über hohe Empfindlichkeit, hohe Stabilität und eine lange Lebensdauer und kann selbst in harschen Umgebungen stabil arbeiten.
Hohe Präzision ist ein wesentlicher Leistungsindikator des Isolationsdetektorsensors. Durch die Verwendung fortschrittlicher Detektionsalgorithmen und elektronischer Komponenten kann er minimale Isolationsänderungen genau erfassen und die Genauigkeit und Aktualität der Fehlinformationen gewährleisten.
Durch die Modernisierung und Renovierung der Wärmedämmvorrichtungen der Gleichstromsysteme in alten Kraftwerken und Umspannwerken und die Verwendung hochpräziser abnehmbarer Isolationsdetektorsensoren kann die Sicherheit des Systems erheblich verbessert werden. Diese Sensoren haben die Fähigkeit, hochpräzise Messungen durchzuführen und können Isolationsfehler zeitnah erkennen, wodurch die Entstehung von Unfällen wirksam verhindert wird.
(3) Früherkennungsmodul
Um die Genauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit der frühzeitigen Warnungen zu verbessern, integriert dieses Modul in der Regel ein Doppelsystem aus aktiver und passiver frühzeitiger Warnung.
Aktive frühzeitige Warnung bezieht sich darauf, dass das System aktiv elektrische Parameter überwacht. Sobald die Parameter vom normalen Bereich abweichen, wird sofort ein Warnsignal ausgelöst. Aktive frühzeitige Warnungen basieren in der Regel auf hochleistungsfähigen Sensoren und Datenerfassungsgeräten. Diese Geräte können wichtige Parameter wie Strom, Spannung und Frequenz in Echtzeit überwachen und die relevanten Daten durch eingebaute Algorithmen analysieren, um festzustellen, ob potenzielle Fehlerrisiken bestehen. Passive frühzeitige Warnungen hingegen beinhalten die Analyse relevanter elektrischer Parameter und das Auslösen eines Warnsignals, nachdem das System externe Signale empfangen hat. Beispielsweise, wenn der Schutzschaltkreis in einem Umspannwerk tätig wird, wird das passive frühzeitige Warnmodul sofort aktiviert, um den Grund für die Tätigkeit zu analysieren und zu bestimmen, ob weitere Maßnahmen erforderlich sind, wie in Abbildung 1 gezeigt.
Abbildung 1 Design der Hardwarestruktur
Im Design der Hardwarestruktur des frühzeitigen Warnmoduls kann die Kombination aus aktiver und passiver frühzeitiger Warnung die frühzeitige Warnfähigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit des Systems erheblich verbessern. Aktive frühzeitige Warnungen können elektrische Parameter in Echtzeit überwachen und potenzielle Fehlerrisiken schnell identifizieren, während passive frühzeitige Warnungen bei bestimmten Ereignissen schnell reagieren und die Ursachen der Fehler detailliert analysieren können.
Um diese beiden frühzeitigen Warnmethoden effektiv zu kombinieren, müssen im Hardware-Design folgende Schlussellemente berücksichtigt werden:
Auswahl von Sensoren und Datenerfassungsgeräten: Hochpräzise Sensoren und Datenerfassungsgeräte müssen ausgewählt werden, um die Datenpräzision sicherzustellen.
Datenverarbeitungs- und -analysefähigkeiten: Das frühzeitige Warnmodul sollte über leistungsfähige Datenverarbeitungs- und -analysefähigkeiten verfügen, um abnormale Daten schnell zu identifizieren und frühzeitige Warnentscheidungen zu treffen.
Kommunikationsschnittstellen und -protokolle: Das Modul sollte mehrere Kommunikationsschnittstellen und -protokolle unterstützen, um den Datenaustausch mit anderen Systemen oder Geräten zu erleichtern.
Zuverlässigkeit: Das Hardware-Design sollte sicherstellen, dass das Modul in extremen Umgebungen stabil arbeiten kann und notwendige Sicherheitsmaßnahmen ergreift, um Fehlfunktionen und unbefugten Zugriff zu verhindern.
III. Systemsoftwareentwicklung
(1) Simulationsmodellierung der Lastcharakteristika bei Fehlern
Der Kern des Systems zur Fehlersuche im Schutzschaltkreis von Umspannwerken liegt in seiner Softwarestruktur, insbesondere in der Erstellung statischer und dynamischer Lastmodelle. Diese Modelle zielen darauf ab, die aktive und reaktive Leistung der Last während des Systembetriebs, sowie die langsamen Änderungen von Spannung und Frequenz zu beschreiben, und werden in der Regel durch Polynommodelle dargestellt. Das statische Lastmodell wird in der Regel durch folgende Formel ausgedrückt:
wobei P und Q die aktive und reaktive Leistung darstellen, V die Spannung, P0, Q0, V0 die Werte im Referenzzustand, und n und m die Lastcharakteristikskoeffizienten sind.
Das dynamische Lastmodell ist komplexer. Es berücksichtigt die dynamische Reaktion der Last auf Änderungen von Spannung und Frequenz, einschließlich mehrerer Zeitkonstanten, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Last auf Spannungs- und Frequenzänderungen zu simulieren. Das dynamische Lastmodell kann durch eine Reihe von Differentialgleichungen dargestellt werden, die die Änderungsrate der Lastleistung über die Zeit beschreiben.
Im Software-Strukturdesign werden diese Modelle in das System zur Fehlersuche im Schutzschaltkreis von Umspannwerken integriert, um den Betriebsstatus des Umspannwerks in Echtzeit zu überwachen und zu analysieren. Das System sammelt Echtzeitdaten, einschließlich Strom, Spannung, Leistung usw., und verwendet diese Modelle für Berechnungen, um potenzielle Fehlzustände wissenschaftlich zu identifizieren.
(2) Erfassung von Fehlinformationen
Um die Zuverlässigkeit der Schutzschaltkreisanlagen zu gewährleisten, ist das Design des Systems zur Fehlersuche von besonderer Bedeutung, insbesondere der Teil der Fehlersuchinformationserfassung. Dieser Teil wird in der Regel in drei Module unterteilt: Erfassung von stationären Informationen, Erfassung von transitorischen Informationen und Verwaltung von Statusdateien.
Das Modul zur Erfassung von stationären Informationen ist hauptsächlich dafür verantwortlich, elektrische Parameter des Umspannwerks während des normalen Betriebs zu erfassen, wie Spannung, Strom, Leistung usw. Diese Daten bilden die Grundlage zur Bewertung des Betriebsstatus des Stromnetzes und sind auch wichtig für die Fehlanalyse und -prognose. Dieses Modul enthält in der Regel drei Submodule: Datenerfassung, Datenverarbeitung und Datenspeicherung. Das Submodul zur Datenerfassung erhält elektrische Parameter in Echtzeit über die Schnittstelle mit dem Umspannwerksüberwachungssystem; das Submodul zur Datenverarbeitung führt eine vorläufige Analyse der erfassten Daten durch, entfernt abnormale Werte und formt die Daten; das Submodul zur Datenspeicherung speichert die verarbeiteten Daten in einer Datenbank für die spätere Analyse.
Das Modul zur Erfassung von transitorischen Informationen konzentriert sich auf die Erfassung transitorischer Ereignisse im Stromnetz, wie Kurzschlüsse, Offenstrecken und andere Fehler. Diese transitorischen Ereignisse gehen oft mit starken Änderungen der elektrischen Parameter einher, daher sind hochgeschwindigkeits- und hochpräzise Datenerfassungsgeräte erforderlich. Dieses Modul enthält in der Regel drei Submodule: Hochgeschwindigkeitsdatenerfassung, Identifikation transitorischer Ereignisse und Speicherung von Ereignisdaten. Das Submodul zur Hochgeschwindigkeitsdatenerfassung kann die Änderungen der elektrischen Parameter mit einer Auflösung im Mikrosekundenbereich aufzeichnen; das Submodul zur Identifikation transitorischer Ereignisse beurteilt, ob ein Fehler aufgetreten ist, und identifiziert den Fehlerart gemäß vorgegebenen Algorithmen; das Submodul zur Speicherung von Ereignisdaten speichert die identifizierten Fehlerinformationen in einer spezifischen Datenbank, was eine detaillierte Analyse durch das Personal erleichtert.
Das Modul zur Verwaltung von Statusdateien ist dafür verantwortlich, die Statusdateien der Schutzschaltkreisanlagen des Umspannwerks zu verwalten und zu pflegen, und es protokolliert detailliert wichtige Informationen wie Konfigurationsdetails, Betriebsstatus und historische Fehleraufzeichnungen der Schutzanlagen. Es umfasst in der Regel vier Submodule: Generierung, Aktualisierung, Abfrage und Backup. Das Submodul zur Generierung erstellt eine initiale Statusdatei gemäß der tatsächlichen Konfiguration der Schutzanlagen; das Submodul zur Aktualisierung aktualisiert die Statusdatei, wenn die Geräteparameter oder -konfigurationen geändert werden; das Submodul zur Abfrage ermöglicht den Benutzern, die Informationen in der Statusdatei abzufragen; das Submodul zum Backup sichert die Statusdatei regelmäßig, um Datenverluste effektiv zu vermeiden.
(3) Fehlersuche
Wenn die Stationskontrollschicht die Alarmmeldung "A-Linie verbundenes Netzwerkverbindungsfehler" vom Schutzschaltkreis erhält, sollte das System sofort den Prozess der Fehlersuche starten, um zu bestätigen, ob diese Alarmmeldung die einzige Quelle ist, d.h. ob auch andere Geräte ähnliche Alarmmeldungen ausgegeben haben. In diesem Beispiel, wenn andere Geräte keine Alarmmeldungen ausgeben, wird das System sich auf die Information "A-Linie verbundenes Netzwerkverbindungsfehler" konzentrieren.
Um Fehlinformationen effektiver zu verarbeiten und zu analysieren, hat das System fünf Kombinationen virtueller Endgeräte und Fehlknoten entworfen, wie in Tabelle 1 dargestellt.
Jedes virtuelle Endgerät ist für unterschiedliche Aufgaben zuständig, von der Überwachung des Netzwerkverbindungsstatus bis hin zur Bereitstellung von Lösungen, und bildet einen vollständigen Fehlerbehandlungsprozess. Durch das obige Software-Strukturdesign kann das System zur Fehlersuche im Schutzschaltkreis von Umspannwerken Fehlinformationen effektiv erfassen und den sicheren Betrieb des Umspannwerks gewährleisten. Besonders bei der Erhaltung der Alarmmeldung "A-Linie verbundenes Netzwerkverbindungsfehler" kann das System schnell reagieren und entsprechende Maßnahmen ergreifen, um den Einfluss des Fehlers auf das Stromsystem zu minimieren.
IV. Experimentelle Verifizierung
(1) Netzwerktopologie-Struktur
Die Netzwerktopologie-Struktur des Systems zur Fehlersuche im Schutzschaltkreis für das 500 kV-Umspannwerk, das 2023 in Betrieb ging, hält sich strikt an die Kernprinzipien hoher Zuverlässigkeit, hoher Verfügbarkeit und einfacher Wartung. Dieses System verwendet eine hierarchische und verteilte Netzwerkarchitektur, und seine Implementierungsschritte sind gut organisiert, einschließlich der folgenden Elemente.
Datenerfassung: Durch Sensoren und Datenerfassungsgeräte, die an verschiedenen Schlüsselstellen des Umspannwerks installiert sind, werden die Betriebsdaten der Schutzschaltkreise in Echtzeit erfasst.
Datenübertragung: Mit Hilfe von Netzwerkkommunikationstechnologien werden die erfassten Daten zeitgerecht und genau an das Datenverarbeitungszentrum übertragen.
Datenanalyse: Im Datenverarbeitungszentrum werden leistungsfähige Computer und professionelle Analyseprogramme verwendet, um die Daten zu analysieren, abnormale Muster und potenzielle Fehler zu identifizieren.
Fehlerdiagnose: Sobald eine Abnormalität erkannt wird, führt das System automatisch eine Fehlerdiagnose durch, um den Typ und Standort des Fehlers zu bestimmen.
Alarm und Reaktion: Das System benachrichtigt das Betriebs- und Wartungspersonal über die Fehlinformationen über das Alarmsystem und gibt vorläufige Vorschläge zur Fehlerbehebung.
Fehlerbehebung: Das Betriebs- und Wartungspersonal kann schnell Maßnahmen zur Fehlerbehebung ergreifen, basierend auf den Fehlinformationen und Vorschlägen, die das System bereitstellt, um so den stabilen Betrieb des Stromnetzes zu gewährleisten.
(2) Experimentelle Ergebnisse und Analyse
Im Experiment wurden zwei Detektionssysteme verwendet: das eine ist das herkömmliche Online-Detektionssystem für sekundäre Schaltkreise der Schutzanlagen von Umspannwerken basierend auf SCD-Dateien, und das andere ist das System zur Fehlersuche im Schutzschaltkreis von Umspannwerken basierend auf räumlicher und zeitlicher Analyse. Beide Systeme wurden in derselben Umspannwerksumgebung getestet, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten [8].
Die experimentellen Daten zeigen, dass die maximalen Isolationsspannungen der positiven und negativen Hauptleiter, die vom Detektionssystem basierend auf SCD-Dateien gemessen wurden, 192,1 V und 191,4 V betragen, während die entsprechenden Werte, die vom Detektionssystem basierend auf räumlicher und zeitlicher Analyse gemessen wurden, 190,3 V und 210,23 V betragen. Die spezifischen Daten sind in Tabelle 2 dargestellt.
Aus den experimentellen Ergebnissen lässt sich erkennen, dass das Detektionssystem basierend auf räumlicher und zeitlicher Analyse einen etwas geringeren Maximalwert der Isolationsspannung für den positiven Hauptleiter im Vergleich zum Detektionssystem basierend auf SCD-Dateien aufweist, aber einen etwas höheren Wert für den negativen Hauptleiter. Dies deutet darauf hin, dass das Detektionssystem basierend auf räumlicher und zeitlicher Analyse in bestimmten Situationen präzisere Messergebnisse liefern kann. Allerdings ist dieser Unterschied nicht signifikant. Daher könnte es notwendig sein, um ein tieferes Verständnis der Leistungsunterschiede zwischen diesen beiden Systemen zu gewinnen, eine große Menge an experimentellen Daten weiter zu sammeln und zu analysieren.
V. Schlussfolgerung
Das neue System zur Fehlersuche im Schutzschaltkreis von Umspannwerken, das in dieser Arbeit entworfen und untersucht wurde, kann den Betriebsstatus der Schutzschaltkreise in Echtzeit überwachen, Fehlinformationen automatisch analysieren und diagnostizieren und die Fehlinformationen zeitnah an das Betriebs- und Wartungspersonal über Netzwerkkommunikationstechnologien übermitteln. Dies ermöglicht es ihnen, unverzüglich Maßnahmen zu ergreifen, um die Ausbreitung von Fehlern zu verhindern und den sicheren und stabilen Betrieb des Stromsystems zu gewährleisten.
